KR20210020139A - 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록매체, 및 프로그램 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치, 기록매체, 및 프로그램 Download PDF

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Abstract

기판 상에 막을 선택적으로 형성할 수 있는 기술을 제공한다. 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판의 온도를 상기 제1 영역의 조성에 따라서 조정하면서, 상기 기판에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정과, 상기 기판에 대하여 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 공정을 갖는다.

Description

반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램
본 발명은, 반도체 장치의 제조 방법, 기판 처리 장치 및 프로그램에 관한 것이다.
대규모 집적 회로(Large Scale Integrated Circuit: 이하 LSI)의 미세화에 수반하여, 패터닝 기술의 미세화도 진행되고 있다. 패터닝 기술로서, 예를 들어 하드마스크 등이 사용되지만, 패터닝 기술의 미세화에 의해, 레지스트를 노광해서 에칭 영역과 비에칭 영역을 구분하는 방법을 적용하기 어려워진다. 이 때문에, 실리콘(Si) 웨이퍼 등의 기판 상에, 실리콘(Si), 실리콘게르마늄(SiGe) 등의 에피택셜 막을, 선택적으로 성장시켜서 형성하는 것이 행하여지고 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 제2003-100746호 공보 일본 특허 공개 제2015-122481호 공보
본 발명은, 기판 상에 막을 선택적으로 형성할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면,
제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판의 온도를 상기 제1 영역의 조성에 따라서 조정하면서, 상기 기판에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단(終端)시키는 공정과,
상기 기판에 대하여 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 공정
을 갖는 기술이 제공된다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 막을 선택적으로 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 처리로의 개략을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 처리로의 A-A선 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하는 도면이다.
도 5의 (A)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 전의 Si층, SiN층 및 SiO2층이 형성된 웨이퍼 표면의 모습을 나타내는 모델도이며, (B)는 웨이퍼 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 직후의 상태를 나타내는 모델도이며, (C)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼 표면의 모습을 나타내는 모델도이다.
도 6의 (A)는 TiCl4 가스가 공급된 직후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이며, (B)는 TiCl4 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이며, (C)는 NH3 가스가 공급된 직후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이다.
도 7의 (A)는 NH3 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이며, (B)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 공정을 행한 후의 웨이퍼 표면을 도시하는 도면이다.
도 8의 (A)는 웨이퍼 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 직후의 상태를 나타내는 모델도이며, (B)는 웨이퍼 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 후의 웨이퍼 표면의 모습을 나타내는 모델도이며, (C)는 웨이퍼 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 (B) 후의 웨이퍼 표면의 모습을 나타내는 모델도이다.
도 9의 (A)는 처리 온도 200℃에서 Si층, SiN층 및 SiO2층 상에 각각 형성되는 TiN막의 성막 사이클수와 막 두께의 관계를 도시하는 도면이며, (B)는 처리 온도 200℃에서 Si층, SiN층 및 SiO2층 상에 형성되는 TiN막의 100사이클 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이다.
도 10의 (A)는 처리 온도 350℃에서 Si층, SiN층 및 SiO2층 상에 각각 형성되는 TiN막의 성막 사이클수와 막 두께의 관계를 도시하는 도면이며, (B)는 처리 온도 350℃에서 Si층, SiN층 및 SiO2층 상에 형성되는 TiN막의 100사이클 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이다.
이어서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 1은 반도체 디바이스의 제조 방법을 실시하기 위한 기판 처리 장치(이하 단순히, 기판 처리 장치(10)라고 함)의 종단면도이다.
이하, 도 1 내지 4를 참조하면서 설명한다. 기판 처리 장치(10)는, 반도체 장치의 제조 공정에서 사용되는 장치의 일례로서 구성되어 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 하지막으로서 실리콘(Si)층, 실리콘 질화(SiN)층 및 실리콘 산화(SiO2)층이 표면에 형성된 웨이퍼(200) 상에 박막으로서 질화티타늄(TiN)막을 형성하는 경우를 사용해서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
기판 처리 장치(10)는, 가열 수단(가열 기구, 가열계)으로서의 히터(207)가 마련된 처리로(202)를 구비한다. 히터(207)는, 원통 형상이며, 보유 지지판으로서의 히터 베이스(도시하지 않음)에 지지됨으로써 수직으로 거치되어 있다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원형으로 반응 용기(처리 용기)를 구성하는 아우터 튜브(203)가 배치되어 있다. 아우터 튜브(203)는, 예를 들어 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 아우터 튜브(203)의 하방에는, 아우터 튜브(203)와 동심원형으로, 매니폴드(인렛 플랜지)(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 스테인리스(SUS) 등의 금속으로 이루어지고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)의 상단부와, 아우터 튜브(203)의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 마련되어 있다. 매니폴드(209)가 히터 베이스에 지지됨으로써, 아우터 튜브(203)는 수직으로 거치된 상태가 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는, 반응 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배치되어 있다. 이너 튜브(204)는, 예를 들어 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 주로, 아우터 튜브(203)와, 이너 튜브(204)와, 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성되어 있다. 처리 용기의 통 중공부(이너 튜브(204)의 내측)에는 처리실(201)이 형성되어 있다.
처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향으로 다단으로 배열한 상태에서 수용 가능하게 구성되어 있다.
처리실(201) 내에는, 노즐(410, 420, 430)이 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(410, 420, 430)에는, 가스 공급관(310, 320, 330)이 각각 접속되어 있다. 단, 본 실시 형태의 처리로(202)는, 상술한 형태에 한정되지 않는다.
가스 공급관(310, 320, 330)에는 상류측부터 차례로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(312, 322, 332)가 각각 마련되어 있다. 또한, 가스 공급관(310, 320, 330)에는, 개폐 밸브인 밸브(314, 324, 334)가 각각 마련되어 있다. 가스 공급관(310, 320, 330)의 밸브(314, 324, 334)의 하류측에는, 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(510, 520, 530)이 각각 접속되어 있다. 가스 공급관(510, 520, 530)에는, 상류측부터 차례로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(512, 522, 532) 및 개폐 밸브인 밸브(514, 524, 534)가 각각 마련되어 있다.
가스 공급관(310, 320, 330)의 선단부에는, 노즐(410, 420, 430)이 각각 연결 접속되어 있다. 노즐(410, 420, 430)은, L자형의 노즐로서 구성되어 있고, 그 수평부는 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(410, 420, 430)의 수직부는, 이너 튜브(204)의 직경 방향 외향으로 돌출되고, 또한 연직 방향으로 연장되도록 형성되어 있는 채널 형상(홈 형상)의 예비실(201a)의 내부에 마련되어 있고, 예비실(201a) 내에서 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 상방(웨이퍼(200)의 배열 방향 상방)을 향해서 마련되어 있다.
노즐(410, 420, 430)은, 처리실(201)의 하부 영역에서부터 처리실(201)의 상부 영역까지 연장되도록 마련되어 있고, 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 각각 복수의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)이 마련되어 있다. 이에 의해, 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 각각 웨이퍼(200)에 처리 가스를 공급한다. 이 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부에 걸쳐 복수 마련되고, 각각 동일한 개구 면적을 갖고, 또한 동일한 개구 피치로 마련되어 있다. 단, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 상술한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부를 향해서 개구 면적을 점차 크게 해도 된다. 이에 의해, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 공급되는 가스의 유량을 보다 균일화하는 것이 가능하게 된다.
노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)은, 후술하는 보트(217)의 하부에서부터 상부까지의 높이의 위치에 복수 마련되어 있다. 그 때문에, 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급된 처리 가스는, 보트(217)의 하부에서부터 상부까지 수용된 웨이퍼(200)의 전역에 공급된다. 노즐(410, 420, 430)은, 처리실(201)의 하부 영역에서부터 상부 영역까지 연장되도록 마련되어 있으면 되지만, 보트(217)의 천장 부근까지 연장되도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.
가스 공급관(310)으로부터는, 전처리 가스로서, 유기 배위자를 갖는 처리 가스가, MFC(312), 밸브(314), 노즐(410)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 유기 배위자를 갖는 처리 가스로서는, 디알킬아민 등의 알킬기를 포함하고, 알킬아민을 리간드에 갖는(알킬 리간드를 갖는) 처리 가스가 사용되며, 그 일례로서 메틸기를 포함하는 헥사메틸디실라잔(HMDSN) 가스를 사용할 수 있다. 유기 배위자를 갖는 처리 가스는, 그 후에 공급되는 퇴적 가스의 성막을 제어하는 흡착 제어제(흡착 저해제)로서 사용된다.
가스 공급관(320)으로부터는, 처리 가스로서, 퇴적 가스로서의 원료 가스가, MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 원료 가스로서는, 알킬 리간드에 흡착되지 않는 원료 분자이며, 예를 들어 할로겐 등의 전기적으로 음성인 배위자를 갖는 염소(Cl)를 포함하는 Cl 함유 가스 등이 사용되고, 그 일례로서 사염화티타늄(TiCl4) 가스를 사용할 수 있다.
가스 공급관(330)으로부터는, 처리 가스로서, 퇴적 가스로서의 원료 가스와 반응하는 반응 가스가, MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 반응 가스로서는, 예를 들어 질소(N)를 포함하는 N 함유 가스가 사용되고, 그 일례로서 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터는, 불활성 가스로서, 예를 들어 질소(N2) 가스가, 각각 MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 노즐(410, 420, 430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급된다. 이하, 불활성 가스로서 N2 가스를 사용하는 예에 대해서 설명하지만, 불활성 가스로서는, N2 가스 이외에, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 크세논(Xe) 가스 등의 희가스를 사용해도 된다.
주로, 가스 공급관(310, 320, 330), MFC(312, 322, 332), 밸브(314, 324, 334), 노즐(410, 420, 430)에 의해 처리 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410, 420, 430)만을 처리 가스 공급계라고 생각해도 된다. 처리 가스 공급계는 단순히 가스 공급계라고 칭해도 된다. 가스 공급관(310)으로부터 흡착 제어제를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(310), MFC(312), 밸브(314)에 의해 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하는 제1 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 제1 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(320, 330), MFC(322, 332), 밸브(324, 334), 노즐(420, 430)에 의해 퇴적 가스를 공급하는 제2 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420, 430)만을 제2 가스 공급계로 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(320)으로부터 원료 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 원료 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 원료 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 또한, 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스를 흘리는 경우, 주로, 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 반응 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 반응 가스 공급계에 포함해서 생각해도 된다. 가스 공급관(330)으로부터 반응 가스로서 질소 함유 가스를 공급하는 경우, 반응 가스 공급계를 질소 함유 가스 공급계라고 칭할 수도 있다. 또한, 주로, 가스 공급관(510, 520, 530), MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은, 이너 튜브(204)의 내벽과, 복수매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원환형의 세로로 긴 공간 내의 예비실(201a) 내에 배치한 노즐(410, 420, 430)을 경유해서 가스를 반송하고 있다. 그리고, 노즐(410, 420, 430)의 웨이퍼와 대향하는 위치에 마련된 복수의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 이너 튜브(204) 내에 가스를 분출시키고 있다. 보다 상세하게는, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a), 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a) 및 노즐(430)의 가스 공급 구멍(430a)에 의해, 웨이퍼(200)의 표면과 평행 방향을 향해서 원료 가스 등을 분출시키고 있다.
배기 구멍(배기구)(204a)은, 이너 튜브(204)의 측벽이며 노즐(410, 420, 430)에 대향한 위치에 형성된 관통 구멍으로, 예를 들어 연직 방향으로 가늘고 길게 개방 형성된 슬릿 형상의 관통 구멍이다. 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 웨이퍼(200)의 표면 상을 흐른 가스는, 배기 구멍(204a)을 통해서 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(203)의 사이에 형성된 간극으로 이루어지는 배기로(206) 내에 흐른다. 그리고, 배기로(206) 내를 흐른 가스는, 배기관(231) 내에 흘러, 처리로(202) 밖으로 배출된다.
배기 구멍(204a)은, 복수의 웨이퍼(200)와 대향하는 위치에 마련되어 있고, 가스 공급 구멍(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 근방에 공급된 가스는, 수평 방향을 향해서 흐른 후, 배기 구멍(204a)을 통해서 배기로(206) 내에 흐른다. 배기 구멍(204a)은, 슬릿 형상의 관통 구멍으로서 구성되는 경우에 한하지 않고, 복수개의 구멍에 의해 구성되어 있어도 된다.
매니폴드(209)에는, 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 마련되어 있다. 배기관(231)에는, 상류측부터 차례로 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245), APC(Auto Pressure Controller) 밸브(243), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속되어 있다. APC 밸브(243)는, 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐함으로써, 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브 개방도를 조절함으로써, 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로, 배기 구멍(204a), 배기로(206), 배기관(231), APC 밸브(243) 및 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함해서 생각해도 된다.
매니폴드(209)의 하방에는, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)은, 매니폴드(209)의 하단에 연직 방향 하측으로부터 맞닿아지도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 SUS 등의 금속으로 이루어지고, 원반형으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220b)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)에서의 처리실(201)의 반대측에는, 웨이퍼(200)를 수용하는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은, 시일 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속되어 있다. 회전 기구(267)는, 보트(217)를 회전시킴으로써 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성되어 있다. 시일 캡(219)은, 아우터 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 연직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 보트(217) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를, 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성되어 있다.
기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 연직 방향으로 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어진다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열판(218)이 수평 자세로 다단(도시하지 않음)으로 지지되어 있다. 이 구성에 의해, 히터(207)로부터의 열이 시일 캡(219)측에 전해지기 어렵게 되어 있다. 단, 본 실시 형태는 상술한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 마련하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 통형의 부재로서 구성된 단열 통을 마련해도 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이너 튜브(204) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있고, 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에 대한 통전량을 조정함으로써, 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포로 되도록 구성되어 있다. 온도 센서(263)는, 노즐(410, 420 및 430)과 마찬가지로 L자형으로 구성되어 있고, 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 마련되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(121)는, CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는, 내부 버스를 통해서, CPU(121a)와 데이터 교환 가능하게 구성되어 있다. 컨트롤러(121)에는, 예를 들어 터치 패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속되어 있다.
기억 장치(121c)는, 예를 들어 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성되어 있다. 기억 장치(121c) 내에는, 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이, 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법에서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어 프로그램 등을 총칭하여, 단순히 프로그램이라고도 한다. 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우에는, 프로세스 레시피 단체만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 프로세스 레시피 및 제어 프로그램의 조합을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은, CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보유되는 메모리 영역(워크 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(121d)는, 상술한 MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532), 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534), 압력 센서(245), APC 밸브(243), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115) 등에 접속되어 있다.
CPU(121a)는, 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행함과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(121c)로부터 레시피 등을 판독하도록 구성되어 있다. CPU(121a)는, 판독한 레시피의 내용을 따르도록, MFC(312, 322, 332, 512, 522, 532)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(314, 324, 334, 514, 524, 534)의 개폐 동작, APC 밸브(243)의 개폐 동작 및 APC 밸브(243)에 의한 압력 센서(245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 보트(217)에 대한 웨이퍼(200)의 수용 동작 등을 제어하도록 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(예를 들어, 자기 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리)(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성되어 있다. 이하, 이들을 총칭하여, 단순히 기록 매체라고도 한다. 본 명세서에서 기록 매체는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터에의 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(123)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
(2) 기판 처리 공정
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 하지막으로서 복수의 영역이며, 예를 들어 제1 영역으로서의 Si층과 SiO2층 및 제2 영역으로서의 SiN층을 표면에 갖는 웨이퍼(200) 상의 SiN층 상에, TiN막을 선택 성장시키는 예에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 본 공정은, 상술한 기판 처리 장치(10)의 처리로(202)를 사용해서 실행된다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는,
Si층, SiN층 및 SiO2층을 표면에 갖는 웨이퍼(200)의 온도를, Si층 및 SiO2층의 조성에 따라서 조정하면서, 웨이퍼(200)에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제로서의 HMDSN 가스를 공급하여, Si층 및 SiO2층 상을 유기 종단시키는 공정과,
웨이퍼(200)에 대하여 퇴적 가스로서, 원료 가스로서의 TiCl4 가스와, 반응 가스로서의 NH3 가스를 공급하여, SiN층 상에 TiN막을 선택 성장시키는 공정을 갖는다.
또한, Si층 및 SiO2층 상을 유기 종단시키는 공정은, 각각 복수회 실행하도록 해도 된다. 또한, 이 Si층 및 SiO2층 상을 유기 종단시키는 공정을 전처리라고 칭한다. 그리고, SiN층 상에 TiN막을 선택 성장시키는 공정을 성막 처리라고 칭한다.
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등의 적층체」를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 말을 사용한 경우도, 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우와 동의이다.
(웨이퍼 반입)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서, 시일 캡(219)은, O링(220)을 개재해서 반응관(203)의 하단 개구를 폐색한 상태가 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201) 내가 원하는 압력(진공도)으로 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때, 처리실(201) 내의 압력은, 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여, APC 밸브(243)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(246)는, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한, 처리실(201) 내가 원하는 온도로 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포로 되도록, 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)에 대한 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은, 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 행하여진다.
A. 유기 종단 공정(전처리)
우선, 전처리로서, 웨이퍼(200)의 Si층 및 SiO2층 상에 유기 종단을 생성한다.
A-1: [흡착 제어제 공급 공정]
(HMDSN 가스 공급)
밸브(314)를 개방하여, 가스 공급관(310) 내에 흡착 제어제로서의 HMDSN 가스를 흘린다. HMDSN 가스는, MFC(312)에 의해 유량 조정되어, 노즐(410)의 가스 공급 구멍(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 HMDSN 가스가 공급된다. 이것과 병행해서 밸브(514)를 개방하여, 가스 공급관(510) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(510) 내를 흐른 N2 가스는, MFC(512)에 의해 유량 조정되어, HMDSN 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(420, 430) 내에의 HMDSN 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(524, 534)를 개방하여, 가스 공급관(520, 530) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, 가스 공급관(320, 330), 노즐(420, 430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 10 내지 1000Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(312)로 제어하는 HMDSN 가스의 공급 유량은, 예를 들어 10 내지 1000sccm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 20 내지 2000sccm의 범위 내의 유량으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가, 예를 들어 100 내지 250℃의 범위 내의 온도이며, 바람직하게는 150 내지 250℃, 더욱 바람직하게는 180 내지 220℃가 되는 온도로 설정한다. 또한, 본 명세서에서의 「100 내지 250℃」와 같은 수치 범위의 표기는, 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 「100 내지 250℃」란 「100℃ 이상 250℃ 이하」를 의미한다. 다른 수치 범위에 대해서도 마찬가지이다.
즉, 이때의 히터(207)의 온도는, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 Si층 및 SiO2층 상에 흡착되고, SiN층 상에는 흡착되지 않아, Si층 및 SiO2층의 표면을 유기 종단시키는 온도이다.
이때 처리실(201) 내에 흘리고 있는 가스는 HMDSN 가스와 N2 가스이다. HMDSN 가스의 공급에 의해, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자를 웨이퍼(200)의 Si층 및 SiO2층의 표면에 결합시켜서 유기 종단한다.
여기서, 웨이퍼 표면의 Si층, SiO2층 및 SiN층 등의 종류(조성)에 따라, 흡착 제어제의 흡착이나 탈리나 분해가 일어나기 시작하는 온도가 다르다. 구체적으로는, Si층 상에서는, SiO22층 및 SiN층 상과 비교하면, 흡착 제어제가 흡착되기 쉽고, 흡착 제어제의 탈리나 분해가 일어나기 시작하는 온도가 높다. 또한, SiO2층 상에서는, 80℃까지는 흡착 제어제가 흡착되지 않지만, 100℃ 근처부터 흡착되기 시작한다. 그리고, 온도가 높아짐에 따라서 흡착 레이트는 빨라져서, 200℃ 근처에서 가장 빨라진다. 그러나, 250℃ 근처까지 올라가면 자기 분해를 하기 시작한다. 즉, 100℃보다 낮은 온도에서는 Si층 및 SiO2층의 어느 쪽에도 흡착 제어제가 흡착되지 않는 경우가 있고, 250℃보다 높은 온도에서는 흡착 제어제가 자기 분해해 버려서, 적어도 SiO2층 상으로부터 유기 배위자(메틸기 등)가 분리·탈리해 버리는 경우가 있다. 즉, Si층 및 SiO2층 표면을 유기 종단시키기 위해서는, 히터(207)의 온도를, 웨이퍼(200)의 온도가, 예를 들어 100 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 220℃, 더욱 바람직하게는 190 내지 210℃로 되도록 조정한다.
즉, 이 흡착 제어제를 폭로할 때의 웨이퍼(200)의 온도를 제어함으로써, 흡착 제어제에 포함되는 유기 배위자가 흡착되는 웨이퍼(200) 표면의 종류를 다르게 할 수 있어, 웨이퍼 표면의 종류에 따른 성막을 행하는 것이 가능하게 된다. 즉, 선택 성장시키는 웨이퍼(200) 표면의 종류를 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 Si층 상에 흡착되어, Si층의 표면을 유기 종단시키는 온도는, 100 내지 500℃의 범위 내의 온도이며, 바람직하게는 150 내지 400℃, 더욱 바람직하게는 180 내지 350℃이다. 또한, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 SiO2층 상에 흡착되어, SiO2층의 표면을 유기 종단시키는 온도는, 150 내지 250℃의 범위 내의 온도이며, 바람직하게는 180 내지 220℃, 더욱 바람직하게는 190 내지 210℃이다.
그리고, HMDSN 가스의 공급을 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에, 가스 공급관(310)의 밸브(314)을 닫아, HMDSN 가스의 공급을 정지한다.
이러한 Si층 및 SiO2층의 표면이 유기 종단되는 모습을 도 5에 도시한다. 도 5의 (A)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 전의 Si층, SiN층 및 SiO2층이 형성된 웨이퍼(200) 표면의 모습을 나타내는 모델도이며, 도 5의 (B)는 웨이퍼(200) 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 직후의 상태를 나타내는 모델도이며, 도 5의 (C)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼(200) 표면의 모습을 나타내는 모델도이다. 도 5의 (B), 도 5의 (C) 및 이후에 도시하는 도면에서, Me는, 메틸기(CH3)를 나타내고 있다.
도 5의 (B) 및 도 5의 (C)를 참조하면, HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼(200) 표면에서는, HMDSN 가스에 의해 표면에 흡착된 Si층 상, SiO2층 상의 H 분자가 HMDSN 가스의 N 분자와 결합하여, NH3이 생성되어서 탈리한다. 그리고, 유기 배위자인 메틸기를 포함하는 Si(Me)3은, H 분자가 탈리한 곳에 흡착되어, Si층 및 SiO2층 표면이 유기 종단된다.
A-2: [퍼지 공정]
(잔류 가스 제거)
이어서, HMDSN 가스의 공급이 정지되면, 처리실(201) 내의 가스를 배기하는 퍼지 처리가 행하여진다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 개방한 채로 두고, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응된 HMDSN 가스 혹은 Si층 및 SiO2층 표면을 유기 종단한 후의 HMDSN 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(514, 524, 534)는 개방한 채로 두어, N2 가스의 처리실(201) 내에의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응된 HMDSN 가스 혹은 HMDSN 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
(소정 횟수 실시)
상기한 흡착 제어제 공급 공정 및 퍼지 공정을 차례로 행하는 사이클을 1회 이상(소정 횟수(n회)) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 형성된 Si층 및 SiO2층의 표면은 유기 종단된다.
또한, 상술한 전처리 공정에서는, HMDSN 가스의 공급과 배기가 교대로 행하여진다. HMDSN 가스와 하지막인 Si층 및 SiO2층이 반응해서 발생한 부생성물(예를 들어 HMDSN)이 웨이퍼(200) 상에 체류하면, 이들 부생성물에 의해 원료 가스에 포함되는 Cl 함유 가스가 웨이퍼(200)의 SiN층 상에 도달하는 것을 방해할 가능성이 있다. 그 때문에, 이러한 부생성물을 배기한다. 이에 의해 부생성물에 의한 폐해의 발생을 방지한다.
B. 선택 성장 공정(성막 처리)
이어서, 전처리에 의해 Si층 및 SiO2층의 표면이 유기 종단화된 웨이퍼(200) 상의 SiN층의 표면 상에 TiN막을 생성한다.
B-1: [제1 공정]
(TiCl4 가스 공급)
밸브(324)를 개방하여, 가스 공급관(320) 내에 원료 가스인 TiCl4 가스를 흘린다. TiCl4 가스는, MFC(322)에 의해 유량 조정되어, 노즐(420)의 가스 공급 구멍(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 TiCl4 가스가 공급된다. 이것과 병행해서 밸브(524)를 개방하여, 가스 공급관(520) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(520) 내를 흐른 N2 가스는, MFC(522)에 의해 유량 조정되어, TiCl4 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(410, 430) 내에의 TiCl4 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514, 534)를 개방하여, 가스 공급관(510, 530) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, 가스 공급관(310, 330), 노즐(410, 430)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 10 내지 1000Pa의 범위 내의 압력, 예를 들어 50Pa로 한다. MFC(322)로 제어하는 TiCl4 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.01 내지 1slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.1 내지 2slm의 범위 내의 유량으로 한다. TiCl4 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 0.1 내지 100초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가, 예를 들어 150 내지 500℃의 범위 내의 온도이며, 바람직하게는 200 내지 400℃, 보다 바람직하게는 200 내지 350℃가 되는 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리고 있는 가스는, TiCl4 가스와 N2 가스이다. TiCl4 가스는, 상술한 전처리에서 표면이 유기 종단된 Si층 및 SiO2층 상에는 흡착되지 않고, SiN층 상에 흡착된다. 이것은, TiCl4 가스에 포함되는 할로겐(Cl)과, Si층 및 SiO2층 상의 유기 배위자가, 각각 전기적으로 음성의 배위자이기 때문에 반발 인자가 되어, 흡착되기 어려운 상태로 되어 있기 때문이다.
여기서, 박막을, 특정 웨이퍼 표면에 대하여 선택적으로 성막하는 경우, 성막하고 싶지 않은 웨이퍼 표면에 대하여 원료 가스가 흡착되어, 의도하지 않은 성막이 생기는 경우가 있다. 이것이 선택성의 무너짐이다. 이 선택성의 무너짐은, 웨이퍼에 대한 원료 가스 분자의 흡착 확률이 높은 경우에 생기기 쉽다. 즉, 성막하고 싶지 않은 웨이퍼에 대한 원료 가스 분자의 흡착 확률을 내리는 것이, 선택성의 향상에 직결된다.
웨이퍼 표면의 원료 가스의 흡착은, 원료 분자와 웨이퍼 표면의 전기적 상호 작용에 의해, 원료 가스가 일정 시간, 웨이퍼 표면에 머뭄으로써 초래된다. 즉, 흡착 확률은, 원료 가스 또는 그 분해물의 웨이퍼에 대한 폭로 밀도와, 웨이퍼 자체가 갖는 전기 화학적인 인자 양쪽에 의존한다. 여기서, 웨이퍼 자체가 갖는 전기 화학적인 인자란, 예를 들어 원자 레벨의 표면 결함이나, 분극이나 전계 등에 의한 대전을 가리키는 경우가 많다. 즉, 웨이퍼 표면 상의 전기 화학적인 인자와, 원료 가스가 서로 끌어 당기기 쉬운 관계라면, 흡착이 일어나기 쉽다고 할 수 있다.
종래의 반도체의 성막 프로세스에서는, 원료 가스측에서는, 원료 가스의 압력을 내리거나, 가스 유속을 높이는 등에 의해, 웨이퍼의 흡착되기 쉬운 장소에의 체재를 최대한 억제하는 방법에 의해, 선택적인 성막 프로세스를 실현해 왔다. 그러나, 반도체 디바이스의 표면적이, 미세화나 삼차원화의 진화에 따라 증가함에 수반하여, 원료 가스의 웨이퍼에 대한 폭로량을 증가시키는 방향으로 기술 진화를 이루어 왔다. 근년은, 가스를 교대로 공급하는 방법에 의해, 미세하고, 표면적이 큰 패턴에 대해서도 높은 단차 피복성을 얻는 방법이, 주류로 되어 있다. 즉, 원료 가스측에서의 대책에 의해, 선택적으로 성막하는 목적을 달성하기 어려운 상황에 있다.
또한, 반도체 디바이스에서는, Si나 SiO2막, SiN막, 금속막 등의 다양한 박막이 사용되고 있으며, 특히 가장 광범위하게 사용되는 재료의 하나인 SiO막에서의 선택 성장성의 제어는, 디바이스 가공의 마진이나 자유도를 높이는 것에의 기여가 크다.
본 실시 형태에서의 흡착 제어제인 HMDSN 가스에 포함되는 알킬 리간드로서의 메틸기는, 전기적으로 음성이기 때문에, 원료 분자가 음성이면 서로 반발해서 결합하기 어렵다. 예를 들어 Si층 및 SiO2층 상에 흡착된 메틸기(Me-)와 TiCl4 가스에 포함되는 할로겐(Cl-)은 서로 음성이므로, 결합하기 어렵다. 즉, 알킬 리간드를 갖는 재료는, 할로겐에 대한 선택 제어성이 있다고 할 수 있다. 따라서, Si층 및 SiO2층 상에서는 인큐베이션 타임이 길어져, Si층 및 SiO2층 이외의 SiN층의 표면 상에 TiN막을 선택 성장시키는 것이 가능하게 된다. 여기서, 인큐베이션 타임이란, 웨이퍼 표면 상에 막이 성장하기 시작할 때까지의 시간이다.
즉, 웨이퍼(200) 표면에 대하여 퇴적 가스를 공급하기 전에 흡착 제어제를 공급함으로써, 성막하고 싶지 않은 웨이퍼(200)의 박막의 성장을 억제할 수 있다. 바꿔 말하면, 흡착 제어제를 웨이퍼(200) 표면에 흡착시킴으로써, 원료 가스에 포함되는 원료 분자의 표면 흡착을 저해할 수 있다.
B-2: [제2 공정]
(잔류 가스 제거)
Ti 함유층을 형성한 후, 밸브(324)를 닫아, TiCl4 가스의 공급을 정지한다.
그리고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층의 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
B-3: [제3 공정]
(NH3 가스 공급)
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(334)를 개방하여, 가스 공급관(330) 내에, 반응 가스로서 NH3 가스를 흘린다. NH3 가스는, MFC(332)에 의해 유량 조정되어, 노즐(430)의 가스 공급 구멍(430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스가 공급된다. 이것과 병행해서 밸브(534)를 개방하여, 가스 공급관(530) 내에 N2 가스를 흘린다. 가스 공급관(530) 내를 흐른 N2 가스는, MFC(532)에 의해 유량 조정된다. N2 가스는 NH3 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때, 노즐(410, 420) 내에의 NH3 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(514, 524)를 개방하여, 가스 공급관(510, 520) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, 가스 공급관(310, 320), 노즐(410, 420)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을, 예를 들어 10 내지 2000Pa의 범위 내의 압력, 예를 들어 100Pa로 한다. MFC(332)로 제어하는 NH3 가스의 공급 유량은, 예를 들어 0.1 내지 2slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(512, 522, 532)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 0.2 내지 3slm의 범위 내의 유량으로 한다. NH3 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은, 예를 들어 1 내지 200초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때의 히터(207)의 온도는, TiCl4 가스 공급 스텝과 마찬가지의 온도로 설정한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리고 있는 가스는, NH3 가스와 N2 가스뿐이다. NH3 가스는, 상술한 제1 공정에서 웨이퍼(200)의 SiN층 상에 형성된 Ti 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 치환 반응 시에는, Ti 함유층에 포함되는 Ti와 NH3 가스에 포함되는 N이 결합하여, 웨이퍼(200) 상의 SiN층 상에 Ti와 N을 포함하는 TiN막이 형성된다. 즉, 웨이퍼(200) 상의 Si층 및 SiO2층 상에는 TiN막이 형성되지 않는다.
B-4: [제4 공정]
(잔류 가스 제거)
TiN막을 형성한 후, 밸브(334)를 닫아, NH3 가스의 공급을 정지한다.
그리고, 상술한 제1 공정과 마찬가지의 처리 수순에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiN막의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
이러한 SiN층 상에 TiN막이 형성되는 모습을 도 6의 (A) 내지 도 6의 (C) 및 도 7의 (A)에 도시하였다. 도 6의 (A)는 TiCl4 가스가 공급된 직후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이며, 도 6의 (B)는 TiCl4 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이며, 도 6의 (C)는 NH3 가스가 공급된 직후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이다. 도 7의 (A)는 NH3 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼 표면의 상태를 나타내는 모델도이다.
도 7의 (A)를 참조하면, 웨이퍼(200) 표면에서는, 웨이퍼(200) 상의 Si층 및 SiO2층 표면이 유기 배위자에 의해 종단(유기 종단)되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 웨이퍼(200) 상의 SiN층 표면에는 Ti와 N을 포함하는 TiN막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, Si층과 SiO2층 표면은, 유기 종단되어 TiN막이 형성되어 있지 않은 것을 알 수 있다.
(소정 횟수 실시)
그리고, 원료 가스로서의 TiCl4 가스와 반응 가스로서의 NH3 가스를 서로 혼합되지 않도록 교대로 공급하여, 상기한 제1 공정 내지 제4 공정을 차례로 행하는 사이클을 1회 이상(소정 횟수(n회)) 행함으로써, 도 7의 (B)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(200)의 SiN층 상에 소정의 두께(예를 들어 내지 nm)의 TiN막을 형성한다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 전처리에서는, 흡착 제어제 공급 공정(HMDSN 가스 공급)과 퍼지 공정(잔류 가스 제거)을 교대로 복수회 행하는 펄스 공급을 행하는 구성에 대해서 설명했지만, 처리실(201) 내에서 흡착 제어제 공급 공정(HMDSN 가스 공급)과 퍼지 공정(잔류 가스 제거)을 차례로 1회씩 연속해서 행한 후에, 처리실(201) 내에서 상술한 성막 처리를 실행하도록 해도 된다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(510, 520, 530) 각각으로부터 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고, 배기관(231)으로부터 배기한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 부생성물이 처리실(201) 내로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(웨이퍼 반출)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)이 하강되어, 반응관(203)의 하단이 개구된다. 그리고, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 반응관(203)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리가 끝난 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 본 발명의 일 실시 형태에 의한 효과
본 실시 형태에서는, 우선 HMDSN 가스를 웨이퍼(200) 표면에 대하여 폭로해서 Si층 및 SiO2층 상을 유기 종단화하고 있다. 이에 의해, 유기 종단화되어 있지 않은 SiN층 상에만 원료 분자를 흡착시킨다. 즉, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 흡착된 Si층 및 SiO2층 상에는, 원료 분자의 흡착이 이루어지기 어려워져, TiN막을 성막시키지 않는 것이 가능하게 된다. 또한, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 흡착되지 않은 SiN층 상에는, 원료 분자가 흡착되어, TiN막을 선택 성장시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 이 흡착 제어제를 폭로할 때의 웨이퍼(200)의 온도를 제어함으로써, 흡착 제어제에 포함되는 유기 배위자가 흡착되는 웨이퍼(200) 표면의 종류를 다르게 할 수 있어, 웨이퍼 표면의 종류에 따른 성막을 행하는 것이 가능하게 된다. 즉, 선택 성장시키는 웨이퍼(200) 표면의 종류를 제어하는 것이 가능하게 된다.
그 결과, 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(200) 상에 막을 선택적으로 형성한 반도체 장치를 형성 가능한 기술을 제공할 수 있다.
(4) 다른 실시 형태
이어서, 흡착 제어제를 폭로할 때의 웨이퍼(200)의 온도를 제어함으로써, 웨이퍼 표면의 종류에 따른 성막을 행하는 다른 실시 형태에 대해서 설명한다. 여기에서는, 하지막으로서 제1 영역으로서의 Si층 및 제2 영역으로서의 SiO2층과 SiN층을 표면에 갖는 웨이퍼(200) 상의 SiO2층 및 SiN층 상에, TiN막을 선택 성장시키는 예에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서의 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)은,
Si층, SiN층 및 SiO2층을 표면에 갖는 웨이퍼(200)의 온도를, Si층의 조성에 따라서 조정하면서, 웨이퍼(200)에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제로서의 HMDSN 가스를 공급하여, Si층 상을 유기 종단시키는 공정과,
웨이퍼(200)에 대하여 퇴적 가스로서, 원료 가스로서의 TiCl4 가스와, 반응 가스로서의 NH3 가스를 공급하여, SiO2층 및 SiN층 상에 TiN막을 선택 성장시키는 공정을 갖는다.
이러한 Si층의 표면이 유기 종단되는 모습을 도 8에 도시하였다. 도 8의 (A)는 Si층, SiN층 및 SiO2층이 형성된 웨이퍼(200) 표면을 HMDSN 가스에 의해 폭로한 직후의 상태를 나타내는 모델도이며, 도 8의 (B)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼(200) 표면의 모습을 나타내는 모델도이며, 도 8의 (C)는 HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 도 8의 (B) 후의 웨이퍼(200) 표면의 모습을 나타내는 모델도이다.
도 8의 (A) 및 도 8의 (B)를 참조하면, HMDSN 가스에 의한 폭로 후의 웨이퍼(200) 표면에서는, HMDSN 가스에 의해 표면에 흡착된 Si층 상, SiO2층 상의 H 분자가 HMDSN 가스의 N 분자와 결합하여, NH3이 생성되어서 탈리한다. 그리고, 유기 배위자인 메틸기를 포함하는 Si(Me)3은, H 분자가 탈리한 곳에 흡착되어, Si층 및 SiO2층 표면이 유기 종단된다. 그러나, 300 내지 500℃의 범위 내의 온도에서는, SiO2층 상에 흡착된 Si(Me)3은, 도 8의 (C)에 도시하고 있는 바와 같이 표면으로부터 분리·탈리해 버린다. 혹은, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자는 처음부터 SiN층 및 SiO2층에 흡착되지 않는다. 이에 의해, 유기 종단화되어 있지 않은 SiO2층 및 SiN층 상에만 원료 분자를 흡착시킨다. 즉, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 흡착된 Si층 상에는, 원료 분자의 흡착이 이루어지기 어려워져, TiN막을 성막시키지 않는 것이 가능하게 된다. 또한, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 흡착되지 않은 SiO2층 및 SiN층 상에는, 원료 분자가 흡착되어, TiN막을 선택 성장시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 본 실시 형태에서의 HMDSN 가스를 폭로할 때의 웨이퍼(200)의 온도는, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 Si층에만 흡착되고, SiO2층 및 SiN층 상에는 흡착되지 않아, Si층의 표면만을 유기 종단시키는 온도로서, 예를 들어 300 내지 500℃의 범위 내의 온도이며, 바람직하게는 300 내지 400℃, 더욱 바람직하게는 330 내지 350℃이다. 300℃보다 낮은 온도에서는, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자(메틸기 등)가 SiO2층에도 흡착된 채 남아 버려 SiO2층에 원료 분자가 흡착되기 어려워지는 경우가 있다. 500℃보다 높은 온도에서는, HMDSN 가스에 포함되는 유기 배위자가 SiO2층뿐만 아니라 Si층에도 흡착되지 않거나, 혹은 흡착되어도 표면으로부터 분리·탈리하는 경우가 있다.
즉, 흡착 제어제를 폭로할 때의 웨이퍼의 온도를 바꿈으로써, 흡착 제어제의 흡착의 기판 선택성을 바꾸고, 그에 의해 성막의 선택성을 바꾸는 것이 가능하다. 예를 들어, 흡착 제어제로서 HMDSN 가스를 사용하여, HMDSN 가스에 포함되는 메틸기가 Si층과 SiO2층 상에는 흡착되고, SiN층에는 흡착되지 않는 낮은 웨이퍼 온도(100 내지 250℃)에서는, Si층, SiO2층 및 SiN층 중 SiN층 상에만 성막되고, HMDSN 가스에 포함되는 메틸기가 Si에만 흡착되고, SiO2층 및 SiN에는 흡착되지 않는 높은 웨이퍼 온도(300 내지 500℃)에서는, Si층, SiO2층 및 SiN층 중 SiO2층과 SiN층 상에 성막시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 전처리로서 흡착 제어제를 웨이퍼(200) 표면에 대하여 폭로해서 특정 종류의 웨이퍼(200) 표면을 유기 종단화한다. 이에 의해, 유기 종단화되어 있지 않은 특정 종류의 웨이퍼(200) 표면에만 원료 분자를 흡착시킨다. 이것은, 흡착 제어제가 흡착된 특정 종류의 웨이퍼(200) 표면 상에는, 원료 분자의 흡착이 이루어지기 어려워져, 이 흡착 제어제가 흡착된 특정 종류의 웨이퍼(200) 표면 상에 성막시키지 않는 것이 가능하게 된다. 또한, 흡착 제어제가 흡착되지 않은 특정 종류의 웨이퍼(200) 표면 상에는, 원료 분자가 흡착되어, 이 흡착 제어제가 흡착되지 않은 특정 종류의 웨이퍼(200)의 표면 상에 선택 성장시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 흡착 제어제로서, HMDSN 가스에 포함되는 메틸기를 사용하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 경우에 한정되는 것은 아니다. 흡착 제어제로서, 알킬아민을 리간드에 갖는 가스이면 되고, 알킬아민을 치밀하게 채우고 싶은 경우에는 다른 에틸기 등과 비교해서 리간드가 작은 메틸기가, 보다 내열성을 높이고 싶은 경우에는, 에틸기 등의 리간드가 큰 것쪽이 휘발하기 어렵기 때문에 보다 유효하다. 또한, 흡착 제어제로서, 웨이퍼(200) 표면에의 흡착 확률이 Si층, SiO2층 및 SiN층 등의 웨이퍼의 종류에 의존하는 특징을 갖는 분자를 포함하는 가스를 사용한다.
즉, 흡착 제어제의 기판 선택성을 갖는 리간드를 바꿈으로써, 흡착 제어제가 흡착되는 기판 선택성을 바꾸고, 그에 의해 성막의 선택성을 바꾸는 것이 가능하다. 예를 들어, 흡착 제어제의 기판 선택성을 갖는 리간드를 디알킬아민으로 함으로써, 흡착 제어제를 SiO2층 및 Si층에 선택적으로 흡착시키고, 그에 의해 SiO2층과 Si층 상에 성막시키지 않도록 하는 것이 가능하다.
마찬가지로, 상기 실시 형태에서는, 퇴적 가스에 의해 TiN막을 선택 성장시키는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 경우에 한정되는 것은 아니다. 저온에서 성막하는 막종이며, 예를 들어 초저온 SiO막을 선택 성장시키는 경우에도 마찬가지로 본 발명을 적용 가능하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 유기 종단 공정인 전처리와, 선택 성장 공정인 성막 처리를, 1개의 처리실(201) 내에서 행하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 경우에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 처리실을 갖는 클러스터형 장치를 사용하여, 각 공정을 다른 처리실 내에서 각각 행하는 경우에도 마찬가지로 본 발명을 적용 가능하다. 이 경우, 반송계나 제어부를 공유해도 된다. 또한, 복수의 기판 처리 장치를 갖는 기판 처리 시스템을 사용하여, 각 공정을 다른 기판 처리 장치에서 각각 행하는 경우에도 마찬가지로 본 발명을 적용 가능하다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 한번에 복수매의 웨이퍼를 처리하는 뱃치식 처리로를 사용해서 막을 형성하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 경우에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 한번에 1매 또는 수매의 웨이퍼를 처리하는 매엽식 처리로를 사용해서 막을 형성하는 경우에도 마찬가지로 본 발명을 적용 가능하다. 또한, 상술한 클러스터형 장치 및 기판 처리 시스템은, 각각에 포함되는 처리실이, 모두 뱃치식 처리로이어도 되고, 매엽식 처리로이어도 되고, 그것들의 조합일 경우에도 마찬가지로 본 발명을 적용 가능하다.
이상, 본 발명의 다양한 전형적인 실시 형태를 설명해 왔지만, 본 발명은 그러한 실시 형태에 한정되지 않고, 적절히 조합해서 사용할 수도 있다.
(5) 실시예
이어서, 하지막으로서 Si층, SiO2층 및 SiN층이 각각 형성된 웨이퍼 상에, 상기에서 설명한 기판 처리 장치(10)와, 도 4에서 설명한 기판 처리 공정을 사용해서 TiN막을 형성한 경우에, 웨이퍼 온도에 따라 생성되는 TiN막의 막 두께에 어떤 차가 있는지에 대해서 도 9 및 도 10에 기초하여 설명한다. 도 9의 (A) 및 도 9의 (B)는, 웨이퍼 온도 200℃에서 TiN막의 선택 성막을 행한 결과를 도시하고, 도 10의 (A) 및 도 10의 (B)는 웨이퍼 온도 350℃에서 TiN막의 선택 성막을 행한 결과를 도시한다.
도 9의 (A)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 온도 200℃에서는, SiN층 상에는, 상술한 성막 처리를 개시 후 바로 사이클수에 따라서 TiN막이 형성되는 것이 확인되었다. 한편, SiO2층 상과 Si층 상에는, 상술한 성막 처리를 100사이클 이상 반복하지 않으면 도 9의 (B)에 도시한 바와 같은 TiN막이 형성되지 않는 것이 확인되었다. 이것은, 웨이퍼 온도 200℃에서는, 100사이클 미만까지는 SiO2층 표면과 Si층 표면이 유기 종단되고, SiN층 상이 유기 종단되어 있지 않기 때문이라고 생각된다. 즉, SiO2층 표면과 Si층 표면 상에서 성막이 시작되기 전(SiO2층 표면과 Si층 표면 상의 흡착 제어제의 탈리나 분해가 일어나기 전)에 성막 처리를 중지하면, SiN층 상에 선택적으로 TiN막을 형성할 수 있게 된다.
또한 도 10의 (A)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 온도 350℃에서는, SiN층 상과 SiO2층 상에는, 상술한 성막 처리를 개시 후 바로 사이클수에 따라서 TiN막이 형성되는 것이 확인되었다. 한편, Si층 상에는, 상술한 성막 처리를 100사이클 이상 반복하지 않으면 도 10의 (B)에 도시한 바와 같은 TiN막이 형성되지 않는 것이 확인되었다. 이것은, 웨이퍼 온도 350℃에서는, 100사이클 정도까지는 Si층 표면이 유기 종단되어 있기 때문이라고 생각된다. 즉, Si층 표면 상에서 성막이 시작되기 전(Si층 표면 상의 흡착 제어제의 탈리나 분해가 일어나기 전)에 성막 처리를 중지하면, SiN층 상 및 SiO2층 상에 선택적으로 TiN막을 형성할 수 있게 된다.
이상의 결과로부터, 퇴적 가스를 공급하기 전에 흡착 제어제를 공급해서 하지막 표면의 유기 종단화를 행함으로써 성막 온도에 따라서 선택성을 바꿀 수 있는 것을 알 수 있다.
10: 기판 처리 장치
121: 컨트롤러
200: 웨이퍼(기판)
201: 처리실

Claims (10)

  1. 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판의 온도를 상기 제1 영역의 조성에 따라서 조정하면서, 상기 기판에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정과,
    상기 기판에 대하여 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 공정
    을 갖는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기 배위자는 알킬기를 포함하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기 배위자는 알킬아민인, 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 영역은 실리콘층 및 실리콘 산화층이며, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정에서는, 상기 기판의 온도를 100℃ 이상 250℃ 이하가 되도록 조정하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 영역은 실리콘층이고, 상기 제2 영역은 실리콘 산화층 및 실리콘 질화층이며, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정에서는, 상기 기판의 온도를 300℃ 이상 500℃ 이하가 되도록 조정하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 가스에 포함되는 배위자와, 상기 유기 배위자는, 각각 전기적으로 음성인 배위자에서 선택되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판의 온도를 상기 제1 영역의 조성에 따라서 조정하면서, 상기 기판에 대하여 상기 퇴적 가스가 흡착되지 않고 또한 상기 제1 영역에 흡착되는 배위자를 갖는 전처리 가스를 공급하여, 상기 제1 영역에 상기 배위자를 흡착시키는 공정과,
    상기 기판에 대하여 상기 퇴적 가스를 공급해서 상기 제2 영역에만 막을 선택 성장시키는 공정
    을 갖는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판에 대하여 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정과,
    상기 기판에 대하여 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 공정
    을 갖고,
    상기 제1 영역을 유기 종단시키는 공정에서는, 상기 제1 영역의 조성에 따라서 상기 유기 배위자의 종류를 선택하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 처리실을 가열하는 가열계와,
    상기 처리실에, 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하는 제1 가스 공급계와,
    상기 처리실에, 퇴적 가스를 공급하는 제2 가스 공급계와,
    제1 영역의 조성에 따라서 상기 처리실의 온도를 조정하면서, 상기 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판을 수용한 상기 처리실에 상기 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 처리와, 상기 처리실에 상기 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 처리를 행하도록, 상기 제1 가스 공급계, 상기 제2 가스 공급계 및 상기 가열계를 제어하도록 구성되는 제어부
    를 갖는 기판 처리 장치.
  10. 기판 처리 장치의 처리실에 수용되어, 제1 영역과, 상기 제1 영역과는 다른 제2 영역을 표면에 갖는 기판의 온도를 상기 제1 영역의 조성에 따라서 조정하면서, 유기 배위자를 갖는 흡착 제어제를 공급하여, 상기 제1 영역을 유기 종단시키는 수순과,
    상기 기판에 대하여 퇴적 가스를 공급하여, 상기 제2 영역에 막을 선택 성장시키는 수순
    을 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램.
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